不同加载方式下花岗岩声发射特性的试验研究

曹　磊，李心一，余贤斌，陈　雷

(1. 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明　650093；2. 云南省地质调查院，云南 昆明　650000)



不同加载方式下花岗岩声发射特性的试验研究

曹磊1，李心一1，余贤斌1，陈雷2

(1. 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明650093；2. 云南省地质调查院，云南 昆明650000)

摘要：为研究花岗岩在不同加载方式下的声发射特性，对15块花岗岩试样进行了3种不同加载方式下的声发射测试试验。结果发现：单次加载方式下，加载应力达到破坏强度60%左右时，声发射发生突增；等幅循环加载方式下能否观察到Kaiser效应与其加载应力水平相关；分级循环加载方式下，Kaiser效应记忆先前加载应力的准确程度随着加载应力水平的增加而减弱，其存在应力水平大约为试样破坏强度的20%~60%。

关键词：岩石力学；声发射；Kaiser效应；不同加载方式；应力水平

0前言

材料或结构受外力或内力作用产生变形以及破坏断裂，并以弹性波形式释放弹性能的现象称为声发射[1]。1953年，德国科学家Kaiser在金属加载试验时，首先发现声发射具有不可逆性，即在重复加载试验中，只有当本次载荷接近或超越先前受到的最大载荷时，才会产生明显声发射，金属材料的这种“记忆应力”的现象被称为Kaiser效应[2]。1963年，Goodman通过试验发现在岩石材料中也存在Kaiser效应[3]。由于Kaiser效应直观反应了岩石对所受应力的记忆能力而受到关注，现已广泛应用于测量原岩应力[4-7]。

在Kaiser效应的研究和应用过程中，人们发现Kaiser效应的记忆准确性与试样的加载应力水平密切相关。Kurita等[8]在对花岗岩的试验中发现Kaiser效应只存在于岩石变形的弹性阶段；陈宇龙等[9]认为加载应力水平超过对应峰值强度的70%后Kaiser效应不再明显；Boyce[10]提出岩石声发射信号在裂纹闭合阶段很少，只有在新裂纹产生时才会大量出现，出现Kaiser效应的应力水平为破坏强度的70%~97%。本文以花岗岩为例，通过不同加载方式下的声发射试验，总结并分析了一些声发射现象，并对Kaiser效应存在于怎样的应力水平进行了研究，以期为Kaiser效应的应用提供依据。

1岩石声发射试验

1.1试验设备

加载系统为TAW-2000D微机控制电液伺服岩石三轴试验机。数字声发射仪型号为北京声华科技有限公司生产SDAES型，该系统能够多通道实时采集数据，外参数采集器通过软件触发，可在采集声发射数据的同时采集应变和载荷等外接参数。

试验时在试样两端加垫橡皮垫，以减少端部效应和试验机振动对声发射信号采集的影响。声发射探头上涂抹凡士林，以保证探头和试件的耦合，同时消除探头和试件间摩擦所产生声发射对试验的影响。试验系统如图1所示。

图1　试验系统

1.2试样以及试验内容

本试验岩样为花岗岩，产自广东。利用取芯机钻取圆柱形试样，直径50 mm，高度100 mm，端部平行度达0.02 mm。该花岗岩部分物理力学性质见表1。

表1　花岗岩物理力学性质

试验试样分为3组，每组5块试样。单次加载组编号为A1~A5，等幅循环加载组编号为B1~B5，分级循环加载组编号为C1~C5。本次试验测试了试样在加载过程中的多种AE参数，包括累积声发射数、累积声发射振铃数及累积能量等(单次加载的试件在采集声发射信号的同时加贴应变片，用于测定岩样部分物理力学性质)，并对数据进行了分析处理。

1.3试验方案

岩石AE试验采用载荷控制的单轴加载模式，分为单次加载、分级循环加载和等幅循环加载3种方式。加载速度0.3 MPa/s，卸载速度设为恒定0.55 MPa/s。单次加载为以恒定加载速度压缩试样直至其破坏；等幅循环加载方式的加载水平定为35 MPa，循环两次后压坏；分级循环加载首次加载水平为6.4 MPa，之后每级增加6.4 MPa，直至试件破坏。

2试验结果及分析

2.1单次加载方式下的情况

以试样A5为例，其应力—时间—累积声发射数关系曲线如图2所示。

1 应力； 2 累计声发射数

由图2可以看出，试样A5在初始加载时声发射数增长较快，约14.32 Mpa时(破坏强度的15.21%)声发射开始平稳增长，57.69 Mpa时(破坏强度的62.61%)声发射数开始快速增加，直至87.16 Mpa时(破坏强度的94.61%)，声发射数不再增加，直至92.14 Mpa岩样破坏。加载初期出现较为强烈的声发射现象是因为裂隙压密和端部效应的原因，虽然此时段内声发射数产生得比较多，但这些声发射信号对应的能量却往往很小。声发射数的平稳增加和快速增加分别对应试样内部损伤不同速率的发育。本组各试样累积声发射数—时间关系曲线中，声发射数开始快速增加的点所对应的应力值，以及该应力所占对应试样破坏强度的百分比如表2所示。

表2　单次加载时声发射突增点情况

由表2可以看出，虽然本组每块试样的抗压强度并不相同，但均在加载到其破坏强度的60%左右时发生声发射数的突增。

2.2等幅循环加载方式下的情况

试样B3的应力—时间—累计声发射数曲线如图3所示。

1 应力； 2 累计声发射数

对于试样B3来说，第1、2次循环的最大加载应力(均为35 Mpa)对应其破坏强度(88.5 Mpa)的39.54%。通过试样B3的应力—时间—累计声发射数曲线可以发现：在第1次循环的加载阶段，声发射数快速增加，卸载阶段几乎没有声发射的产生；第2次循环的加载阶段只有当应力接近加载应力水平35 Mpa及保载阶段才产生少量声发射，卸载阶段同样几乎没有声发射产生；第3次循环加载应力在接近35 Mpa时声发射产生了突增。所以说试样B3在等幅循环加载方式下，以35 Mpa作为加载应力水平时，Kaiser效应显著。

试样B2的应力—时间—累计声发射数关系曲线如图4所示。

1 应力； 2 累计声发射数

对于试样B2，第1、2次循环的加载最大应力(35 Mpa)对应其破坏强度(55.4 Mpa)的63.18%。通过其应力—时间—累计声发射数曲线，可以发现除了在第2次和第3次循环的加载阶段，应力接近35 Mpa时可以观察到明显的声发射突增点外，在第1次和第2次循环的卸载阶段同样可以观察到声发射突增点，而且这两个声发射突增点所对应的应力都远远小于35 Mpa的预加载应力。严格按照Kaiser效应的定义，“只有当本次载荷接近或超越先前受到的最大载荷时，才会产生明显声发射”为Kaiser效应存在的标准[2]，那么此时对于试样B2来说，Kaiser效应并不存在。

2.3分级循环加载方式下的情况

以试样C3的应力—时间—累计声发射数曲线为例，见图5。

1 应力； 2 累计声发射数

只有当加载的应力接近上次循环的最大加载应力时，累计声发射数—时间曲线才会产生明显的拐点。各循环加载过程中声发射数—时间曲线出现的声发射突增点对应应力与前次循环加载的最大应力的对应情况如表3所示。为方便表述Kaiser效应的显著程度，引入参数——恰当比值(FR)，该值的定义是Kaiser应力与先前加载最大应力的比值。恰当比值(FR)表征岩石Kaiser效应记忆先前加载应力的能力，该值越接近于1表示记忆越准确，比值大于1表示记忆的滞后，小于1则表示记忆的超前[1]。

表3　试样C3的循环声发射突增点

FR值能较好地反映材料中原先所受损伤或结构缺陷的严重程度，FR值越小，表示材料原先所受损伤或结构缺陷越严重[9]。通过表3可以看出，总体上来看，FR值随着加载应力水平的提高呈减小的趋势，从开始的1.53一直减小到破坏前1个循环的0.75。但在开始加载后的裂隙压密阶段和弹性变形阶段，虽然FR值一直在减小，但仍在1左右，即在此应力范围内，FR值的变化幅度并不大。而在临近破坏前的塑性变形阶段，FR值却迅速下降。这是因为裂隙压密阶段和弹性变形阶段，不可恢复的损伤(塑性变形)产生较少，而到了塑性变形阶段，损伤迅速发育导致的。

分析表3可以看出，从第3到第8个循环，FR值都接近于1，如果不考虑卸载阶段的影响，可以认为这几个循环里Kaiser效应是显著的。但在第6到第8个循环的应力卸载的过程中，累计声发射数—时间曲线仍会发现明显的声发射突增点，但这些点明显不是Kaiser点。严格按照Kaiser效应的定义，该试样从第6个循环开始Kaiser效应就已经消失了。试样C3能观察到Kaiser效应的应力水平在破坏强度的23%~66%这一范围内。结合该组其他试样的数据，Kaiser效应的存在应力水平约为对应破坏强度的20%~60%。

2.4讨论分析

在单次加载方式下的试验中，累计声发射数—时间曲线上的声发射突增点对应的应力水平为破坏强度的60%左右，与在分级循环加载组试验中观察到的Kaiser效应存在应力水平(破坏强度的20%~60%)的上限吻合。也就是说，在单次加载方式下，累计声发射数—时间曲线上声发射数发生突增后的应力水平Kaiser效应就不存在了。笔者认为可以利用这种规律，只采用单次加载的方式来快速确定某种花岗岩Kaiser效应存在的应力水平上限。循环加载组的试验结果同样可以印证这一点：试样B3第1、2次循环的加载应力(35 Mpa)对应其破坏强度(88.5 Mpa)的39.54%，该应力水平在分级循环加载试验中已验证的Kaiser效应存在的应力水平范围内，第2和第3次循环中均可以观察到Kaiser效应；而对于试样B2，第1、2次循环的加载最大应力(35 Mpa)对应其破坏强度(55.4 Mpa)的63.18%，该值超过已验证的Kaiser效应存在的上限，虽然这时在累计声发射数—时间曲线上第1、2次循环的加载阶段均产生了类似Kaiser点的声发射突增点，但在第1、2次循环的卸载阶段也同样产生了类似Kaiser点的声发射突增，严格来说Kaiser效应已不存在了。

3结论

通过对花岗岩试样不同加载方式的单轴加载试验及对试验结果的分析，可得出以下结论。

1) 在单次加载的方式下，试样声发射—时间曲线上的声发射突增点对应应力约为对应破坏强度的60%。

2) Kaiser效应并非存在于所有应力水平，其存在的应力范围约为试样破坏强度的20%~60%。

3) 单次加载方式下，累计声发射数—时间曲线上声发射数发生突增后的应力水平不存在Kaiser效应。可以利用这点，只采用单次加载的方式来快速确定某种花岗岩存在Kaiser效应的应力水平上限。

参考文献：

[1]樊运晓. 单轴压缩试验下裂隙闭合阶段岩石Kaiser效应的研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2001, 20(6): 793-796.

[2]Kaisere J A. Study of acoustic phenomena in tensile test[D]. Munich, Germany: Technische Hochschule Munchen, 1953.

[3]Goodman R E. Subaudible noise during compression of rock[J]. Geological Society of America Bulletin, 1963, 74(4): 487-490.

[4]周小平, 王建华. 测量地应力的新方法[J]. 岩土力学, 2002, 23(3): 316-320.

[5]李慧英. 共和隧道围岩Kaiser效应地应力测试研究[J]. 公路交通技术, 2009(2): 120-123.

[6]姜洪波. 基于Kaiser效应红透山铜矿原岩应力测量[J]. 有色矿冶, 2012, 28(1): 10-12.

[7]翟小洁, 傅荣华, 张兵, 等. 利用Kaiser效应测试地应力的实验研究[J]. 四川地震, 2008(1): 18-21.

[8]Kurita K, Fujii N. Stress memory of crystalline rocks in acoustic emission[J]. Geo. Res. Let, 1979, 6(1): 9-12.

[9]陈宇龙, 魏作安, 张千贵, 等. 等幅循环加载与分级循环加载下砂岩声发射Felicity效应试验研究[J]. 煤炭学报, 2012, 37(2): 226-230.

[10] Boyce G M. A study of the acoustic emission response of various rock type[D]. Drexel: Drexel University, 1981.

Experimental Study on Acoustic Emission Characteristics of Granite under Different Loading Modes

CAO Lei1，LI Xinyi1，YU Xianbin1，CHEN Lei2

(1.FacultyofLandResourceEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,

Yunnan650093,China; 2.YunnanInstituteofGeologicalSurvey,Kunming,Yunnan650000,China)

Abstract:To study the acoustic emission characteristics of granite under different loading methods, 15 samples of granite were tested for the characteristics of acoustic emission along three different loading modes. The results showed that under single loading mode, loading stress reaches about 60% of the breaking strength, the acoustic emission sudden increase. Under equal amplitude cyclic loading mode, whether Kaiser effect can be observed depend on the stress level. Under step cyclic loading mode, the accuracy of Kaiser effect decreased when stress level increases. And Kaiser effect exists in the stress level, which is about 20%~60% of the breaking strength of the sample.

Key words:Rock mechanics; Acoustic emission; Kaiser effect; Different loading methods; Stress level

中图分类号：TD326

文献标识码：A

doi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.01.004

作者简介：曹磊(1990-)，男，山西吕梁人，在读硕士研究生，研究方向：岩石力学，手机：15877924506，E-mail：616882733@qq.com.

收稿日期：2015-09-25